第四章 半导体存储器

计算机原理第四章存储系统课堂笔记及练习题主题：第四章存储系统学习时间：2016年10月24日--10月30日内容：一、学习要求这周我们将学习第四章存储系统的相关内容。

通过本章的学习要求了解主存储器的主要技术指标、理解存储器的层次结构及分类，加深对半导体随机读写器相关知识的理解。

二、主要内容（一）存储系统概述存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据，是计算机系统的重要组成部分之一。

存储器有主存储器和辅助存储器之分，主存储器（简称主存）处于全机中心地位，直接与CPU交换信息；辅助存储器（简称辅存）或称为外存储器（简称外存）通常用来存放主存的副本和当前不在运行的程序和数据，在程序执行过程中，每条指令所需的数据及取下一条指令的操作都不能直接访问辅助存储器，需要通过主存储器与CPU交换信息。

（二）主存储器的主要技术指标主存储器的主要性能指标为主存容量、存储器存取时间和存储周期时间。

计算机可寻址的最小信息单位是一个存储字，一个存储字所包括的二进制位数称为字长。

主存储器的另一个重要的性能指标是存储器的速度，一般用存储器存取时间和存储周期来表示。

存储器存取时间(memory access time)又称存储器访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。

存储周期(memory cycle time)指连续启动两次独立的存储器操作(例如连续两次读操作)所需间隔的最小时间。

通常，存储周期略大于存取时间。

（三）存储器的层次结构对存储器的要求是“大容量、高速度、低成本”，但是在一个存储器中要求同时兼顾这三方面是困难的。

一般来讲，速度高的存储器，每位价格也高，因此容量不能太大。

主存-辅存层次，满足了存储器的大容量和低成本需求。

cache-主存层次，解决了速度与成本之间的矛盾。

现代大多数计算机同时采用主存-辅存和cache-主存这两种存储层次，构成cache-主存-辅存三级存储层次，如下图所示。

CPU能直接访问的存储器称为内存储器，包括cache和主存储器。

半导体存储器的组成与基本结构
半导体存储器的组成与基本结构
1 半导体存储器是由多种元件以及组件组成的，包括：
(1) 存储元件：用于空间上存储信息的元件，包括行选择元件、门电极、存取道和存储单元；
(2) 读写元件：与存储元件有关的元件，用于读取或写入存储元件中
的信息，包括数据信号电极和控制信号电极；
(3) 连接元件：用于彼此连接存储元件、读写元件和外部接口的元件，包括连接电路和接口；
(4) 功能组件：控制与调节半导体存储器工作的元件，包括电源、锁
存器和计时器；
(5) 封装元件：用于保护内部机构结构，提供与外界连接的元件，包
括封装、连接器和防火片；
2 半导体存储器的基本结构有：
(1) 存储元件：存储元件通常包括门电极、存取道和存储单元，采用
多位或多级结构空间上存储信息；
(2) 读写元件：读写元件与存储元件有关，利用电声的静电双向效应
实现存取动作，包括数据信号电极和控制信号电极；
(3) 连接元件：连接元件用于连接存储元件与读写元件，以及外部的
接口，包括连接电路和接口；
(4) 功能组件：功能组件用于控制与调节半导体存储器的工作，包括
电源、锁存器和计时器；
(5) 封装元件：封装元件用于提供与外界连接，保护内部机构结构，常见的封装元件有封装、连接器和防火片。

半导体存储器原理半导体存储器是计算机系统中至关重要的组成部分，它用于数据的存储和读取。

在本文中，我们将讨论半导体存储器的原理和工作机制。

一、概述半导体存储器是由多个存储单元组成的，每个存储单元可以存储一个或多个二进制位的数据。

根据存取方式的不同，半导体存储器可以分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

二、随机存取存储器（RAM）1. SRAM（静态随机存取存储器）SRAM使用触发器作为存储单元，每个存储单元由多个晶体管构成。

SRAM具有高速读写的特点，但需要更多的晶体管，因此在成本上较高。

2. DRAM（动态随机存取存储器）DRAM使用电容器作为存储单元，每个存储单元由一个电容器和一个晶体管构成。

由于电容器会自然漏电，因此DRAM需要定期刷新操作来重新存储数据。

尽管DRAM读写速度较慢并需要刷新操作，但其成本较低。

三、只读存储器（ROM）只读存储器是一种无法修改存储内容的存储器。

常见的ROM类型有：1. PROM（可编程只读存储器）：可以被编程一次，之后无法改变。

2. EPROM（可擦写可编程只读存储器）：可以被擦除和重新编程。

3. EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）：可以通过电信号进行擦除和重新编程。

四、工作原理半导体存储器的工作原理基于半导体器件的特性。

以SRAM为例，当输入一个写入信号时，存储单元的触发器会将数据保存在其中。

当输入一个读取信号时，存储单元的数据将被传输到输出线上。

对于DRAM，输入的写入信号会改变电容器的电荷状态来保存数据。

读取信号会读取电容器的电荷状态，并将其转换为电压信号，随后输出。

只读存储器在制造过程中被编程或擦除，因此存储内容无法再次修改。

五、总结半导体存储器是现代计算机系统中重要的组成部分。

它具有高速读写、可擦写的特性，因此在数据存储和读取方面具有广泛应用。

无论是RAM还是ROM，每种存储器都有其各自的特点和应用场景。

通过了解半导体存储器的原理和工作机制，我们能够更好地理解计算机系统中数据的存储过程。

第4章半导体存储器存贮器（Memory）是计算机的重要组成部件，用来存放程序和数据。

本章首先介绍半导体存贮器的分类、组成及主要性能指标；然后介绍CPU运行过程中能随时进行数据读写的随机存储器（RAM），包括静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）；接着介绍只读存储器（ROM），包括掩膜ROM和可编程ROM；最后介绍存储器与CPU的接口技术。

4.1 概述存储器是用以存放信息的部件，其职能是存放用二进制数表示的程序和数据，有了它，计算机才能“记住”信息，并按程序的规定自动运行。

存储器是具有记忆功能的部件，它是由大量的记忆单元（或称基本存储电路）组成，而记忆单元是用一种具有两种稳定状态的物理器件来表示二进制数的0和1，这种物理器件可以是磁芯、半导体器件等。

位(bit)是二进制数最基本的单位，一个记忆单元能存储二进制数的一位。

随着CPU速度的不断提高和软件规模的不断扩大，人们当然希望存储器能同时满足速度快、容量大、价格低的要求。

但实际上这一点很难办到，解决这一问题的较好方法是，设计一个快慢搭配、具有层次结构的存储系统。

图4.1显示了新型微机系统中的存储器组织。

它呈现金字塔形结构，越往上存储器件的速度越快，CPU的访问频度越高；同时，每位存储容量的价格也越高，系统的拥有量越小。

图中可以看到，CPU中的寄存器位于该塔的顶端，它有最快的存取速度，但数量极为有限；向下依次是CPU内的Cache（高速缓冲存储器）、主板上的Cache（由SRAM组成）、主存储器（由DRAM组成）、辅助存储器（半导体盘、磁盘）和大容量辅助存储器（光盘、磁带）；位于塔底的存储设备，其容量最大，每位存储容量的价格最低，但速度可能也是较慢或最慢的。

4.1.1 半导体存储器的分类由于半导体存储器具有存取速度快、集成度高、体积小、功耗低、应用方便等优点，它已被广泛地采用组成微型计算机的内存储器，其种类很多。

1．按制造工艺分类可以分为双极型和金属氧化物半导体型两类。

第4章存储器1. 解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。

答：主存：主存储器，用于存放正在执行的程序和数据。

CPU可以直接进行随机读写，访问速度较高。

辅存：辅助存储器，用于存放当前暂不执行的程序和数据，以及一些需要永久保存的信息。

Cache：高速缓冲存储器，介于CPU和主存之间，用于解决CPU和主存之间速度不匹配问题。

RAM：半导体随机存取存储器，主要用作计算机中的主存。

SRAM：静态半导体随机存取存储器。

DRAM：动态半导体随机存取存储器。

ROM：掩膜式半导体只读存储器。

由芯片制造商在制造时写入内容，以后只能读出而不能写入。

PROM：可编程只读存储器，由用户根据需要确定写入内容，只能写入一次。

EPROM：紫外线擦写可编程只读存储器。

需要修改内容时，现将其全部内容擦除，然后再编程。

擦除依靠紫外线使浮动栅极上的电荷泄露而实现。

EEPROM：电擦写可编程只读存储器。

CDROM：只读型光盘。

Flash Memory：闪速存储器。

或称快擦型存储器。

2. 计算机中哪些部件可以用于存储信息？按速度、容量和价格/位排序说明。

答：计算机中寄存器、Cache、主存、硬盘可以用于存储信息。

按速度由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按容量由小至大排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按价格/位由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘。

3. 存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？答：存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。

Cache-主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。

主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。